Nauka

Na trzy palce

Co zmieni unijny system nawigacji satelitarnej Galileo

Z systemem Galileo nawet smartfony czy tablety doprowadzą nas do celu z błędem jednego metra. Z systemem Galileo nawet smartfony czy tablety doprowadzą nas do celu z błędem jednego metra. George Shelley Productions / Getty Images
Nawigacja satelitarna przydaje się nie tylko w samochodzie. Zależy od niej dalszy rozwój rolnictwa czy też przyszłość pojazdów autonomicznych. Co tu zmieni wprowadzenie nowego europejskiego systemu Galileo?
Nowoczesne traktory dzięki systemom satelitarnym z precyzją do kilku centymetrów wykonują prace polowe i mogą nawet obyć się bez kierowcy.CNH Industrial/EAST NEWS Nowoczesne traktory dzięki systemom satelitarnym z precyzją do kilku centymetrów wykonują prace polowe i mogą nawet obyć się bez kierowcy.
Opracowany w Polsce system automatyzacji dźwigów podczas prac na wysokościach będzie odpowiadać za nawigację i transport ładunków, minimalizowanie ryzyka zderzenia oraz zmniejszenie wahań zaczepów.Howard Kingsnorth/Getty Images Opracowany w Polsce system automatyzacji dźwigów podczas prac na wysokościach będzie odpowiadać za nawigację i transport ładunków, minimalizowanie ryzyka zderzenia oraz zmniejszenie wahań zaczepów.

Dotąd usługi w zakresie ustalania pozycji, nawigacji i pomiaru czasu opierano na amerykańskim systemie satelitarnym GPS (ang. Global Positioning System). Coraz częściej wspiera go rosyjski Glonass. Wreszcie nadszedł czas na Unię Europejską. Od połowy grudnia 2016 r. chlubimy się systemem Galileo, który na razie liczy 18 satelitów. Pełna konstelacja będzie złożona z 30 satelitów w 2020 r. Ale wówczas chiński system Beidou zakończy swoją transformację z systemu regionalnego w ogólnoświatowy. Równocześnie zaczną działać systemy indyjski i japoński, co łącznie umożliwi korzystanie z ok. 120 satelitów.

W ocenie Europejskiej Agencji Globalnych Systemów Nawigacyjnych (GSA) już wkrótce pojawią się na masową skalę superczułe, zminiaturyzowane i energooszczędne chipsety (mikroprocesorowe układy elektroniczne) umożliwiające odbiór sygnałów z satelitów kilku konstelacji. Im więcej wychwycimy sygnałów satelitów, tym lepszą uzyskamy dokładność pomiaru. Na razie rynek przyzwyczaja się do pary GPS+Glonass, nieliczni dodają doń Galileo i Beidou. Gra toczy się o rynek usług satelitarnych szacowany na 250 mld euro rocznie w 2022 r., zwany inaczej rynkiem GNSS (ang. Global Navigation Satellite System, Globalne Systemy Nawigacji Satelitarnej).

W filmie „Sami swoi” Pawlakowie uznali, że ich sąsiad Władek Kargul zaorał pole aż o trzy palce szerzej, niż przebiegała granica. Za to oszustwo Jasiek Pawlak zdzielił go kosą po grzbiecie, po czym musiał uciekać do Ameryki. Dzisiaj miedzy mogłyby strzec satelity.

Rolnik satelitarny

Operator tej maszyny pracuje w komfortowej, dobrze wyciszonej kabinie z regulowaną amortyzacją, klimatyzacją, zestawem stereo Hi-Fi i systemem głośnomówiącym z technologią Bluetooth. Swoje zadanie wykonuje zwykle w trybie autonomicznym. Naciska guzik autopilota, zdejmuje ręce z kierownicy i od czasu do czasu patrzy na ekran komputera pokładowego, który prowadzi maszynę po wybranej ścieżce z dokładnością do 2,5 cm dzięki nawigacji satelitarnej. Czy to samolot? To ciągnik rolniczy lub jak kto woli – traktor.

Polscy rolnicy, czyli producenci rolni, kupują miesięcznie ponad tysiąc maszyn z podobnymi udogodnieniami, zwłaszcza odbiornikami GNSS. W ten sposób systematycznie rośnie popyt na usługi rolnictwa precyzyjnego, zmieniającego diametralnie stereotypowy obraz wsi. – Chociaż modele z najwyższej półki kosztują ok. 230 tys. zł, przedsiębiorcy rolni nie żałują pieniędzy, ponieważ chcą, by ich sprzęt pracował z jak największą precyzją i jak najwydatniej. Temu służą systemy kierowania automatycznego. Centymetrowa precyzja nie jest już żadnym wyczynem. Każdy ślad jest tak samo dokładny jak poprzedni – tłumaczy Jerzy Koronczok, prowadzący firmę Agrocom Polska zajmującą się rolnictwem precyzyjnym.

Urządzenia GNSS sprzężone z układem kierowniczym ciągnika umożliwiają np. siew kukurydzy na całej szerokości siewnika. Każda piędź ziemi jest wykorzystana. Tak się dzieje m.in. w firmie Hodowla Roślin Smolice w Wielkopolsce. Pracują tam systemy firmy Trimble, amerykańskiego lidera rynku pozycjonowania satelitarnego. Jej autopilot zmniejsza zużycie paliwa, poprawia jakość wykonywanych prac polowych oraz przyczynia się do zwiększenia plonów. Dodatkowo system tworzy odpowiednie raporty oraz mapy wykonywanych prac.

Firma Case IH rozwinęła z kolei ideę systemów prowadzenia równoległego. Gdy kombajn wykryje zbliżający się traktor z przyczepami, operatorzy mogą zezwolić na wzajemną komunikację między maszynami. Wtedy kombajn wysyła do ciągnika współrzędne geograficzne gwarantujące, że podczas jazdy środek przyczepy będzie znajdował się zawsze pod końcem rury wysypującej ziarno.

Prof. Witold Kula w swojej najpopularniejszej pracy „Miary i ludzie” (Warszawa 1970) opisywał, że w Europie od wczesnego średniowiecza aż do wprowadzenia systemu metrycznego stosowano dwa sposoby mierzenia powierzchni uprawnej: czasem ludzkiej pracy oraz ilością wysiewanego ziarna. W tym pierwszym przypadku najważniejszą cechą była ilość pracy, którą trzeba było włożyć w ziemię, by dała plon. W tym drugim – płodność ziemi. „W zależności od jakości gleby doświadczony siewca stawiał większe lub mniejsze kroki i ujmował pełniejsze lub mniej pełne garście ziarna” – czytamy.

Niewątpliwie wprowadzenie technik satelitarnych jest ucyfrowieniem tego drugiego sposobu. Współczesny siewca programuje przejazd swoich maszyn (czyli liczy kroki), pilnuje, by otrzymywały one na bieżąco pomiary satelitarne (ile sypać ziarna), i dba o logistykę, czyli by na czas dowieźć ziarno.

Czyja kosa pierwsza, tego miedza szersza

Ręczny odbiornik turystyczny GNSS firmy Garmin w korzystnych warunkach i dobrej widoczności nieba określi naszą pozycję z dokładnością do 2 m. Sygnał odbiera z konstelacji amerykańskich satelitów systemu GPS, wspomaganych przez satelity systemu WAAS (USA) i EGNOS (Europa), nadających tzw. poprawkę różnicową, znacząco poprawiającą dokładność pomiaru. Bez niej błąd pomiaru wyniósłby 10–15 m. Gdy dojdzie do tego Galileo, nawet smartfony będą nas prowadzić do celu z błędem do jedynie około metra, również w tunelach, wewnątrz budynków czy po drogach zasłanianych przez wysokie budowle.

W erze przedsatelitarnej administracja publiczna poszczególnych państw wspomagała pomiary, zakładając tzw. osnowy geodezyjne, czyli zbiory punktów o niepowtarzalnych numerach, fizycznie oznaczonych w terenie znakami geodezyjnymi, których współrzędne umieszczano w państwowym zasobie geodezyjnym i kartograficznym. Tym samym stawały się one układem współrzędnych – inaczej mówiąc: układem odniesienia dla geodetów. Jeszcze 10 lat temu odnowa tej sieci kosztowała rocznie budżet państwa 20 mln zł. Mimo to za pomocą ówczesnych narzędzi pomiarowych uzyskiwano generalnie dokładności 10 cm. By uzyskać większe, geodeci czy też naukowcy musieli się mocno natrudzić.

Z chwilą rozwoju GPS rozwiązanie nasuwało się samo. Należało zbudować teleinformatyczny system wspomagania pomiarów satelitarnych i nawigacji, zwany obecnie ASG-EUPOS. Na zlecenie Głównego Urzędu Geodezji i Kartografii (GUGiK) powstał on w latach 2005–08 z wykorzystaniem środków unijnych. Do systemu ASG-EUPOS włączonych jest 125 stacji referencyjnych, nieustannie prowadzących precyzyjne pomiary odległości do satelitów GPS i Glonass, a w niedalekiej przyszłości także Galileo.

Gdy znamy wiarygodne współrzędne stacji referencyjnych, stają się one układem odniesienia dla pomiarów satelitarnych. Precyzja pomiarów wynosi zwykle 3 cm (położenie poziome) i 5 cm (wysokość). Gdy geodeta mierzy coś w terenie, może skorygować wyniki natychmiast, jeśli skorzysta z serwisu transmitującego poprawki poprzez moduł komunikacyjny, albo później w tzw. postprocessingu, wysyłając swoje obserwacje do systemu. Według Wiesława Graszki, naczelnika Wydziału Geodezji i Systemów Odniesień Przestrzennych w GUGiK, odpowiedzialnego za rozwój systemu ASG-EUPOS, abonament na jego usługi wykupiło ok. 3500 osób.

Na tej fali pojawiły się właśnie nowe usługi dla rolnictwa i drogownictwa. To użytkownik – rolnik i inżynier – musi rozstrzygnąć, jakiej dokładności pomiarów potrzebuje. Niewątpliwie dokładność poniżej 2 cm jest szczególnie przydatna w gospodarstwach ogrodniczych i polowych uprawach rzędowych, ponieważ praktycznie eliminuje występowanie zjawiska nakładania ścieżek przejazdów pojazdów lub omijania punktów wymagających zabiegów agrotechnicznych. W tym celu rolnicy instalują polowe stacje bazowe Real Time Kinematic (RTK GPS), umożliwiające precyzyjne pomiary przy użyciu nawigacji satelitarnej. Komputery pokładowe ciągników pobierają bezpośrednio od nich poprawki.

W gruncie rzeczy wciąż szukamy nowych zastosowań dla pomiarów satelitarnych. Służy temu m.in. European Satellite Navigation Competition (ESNC), inaczej nazywany Galileo Masters, uznawany za najważniejszy konkurs dla zainteresowanych technologiami satelitarnymi, którzy myślą o karierze w sektorze kosmicznym, założeniu start-upu lub dywersyfikacji dotychczasowych działań. W ub.r. polską edycję tego konkursu wygrał system Aerobits, zapewniający bezpieczną odległość między dronami a samolotami, dzieło start-upu działającego przy Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym. Dr Rafał Osypiuk i Mateusz Spychała zintegrowali w jeden moduł lotniczą technologię ADS-B (Automatic Dependent Surveillance – Broadcast) oraz technologię precyzyjnego pozycjonowania satelitarnego multi-GNSS (Global Navigation Satellite System). Nikt wcześniej tego nie dokonał.

Natomiast nagrodę specjalną od niemieckiej agencji kosmicznej otrzymał Piotr Krystek za projekt ACNS (Augmented Crane Navigation System). Opracował system automatyzacji dźwigów podczas prac na wysokościach. Technologia będzie odpowiadać za nawigację i transport ładunków, minimalizowanie ryzyka zderzenia oraz zmniejszenie wahań zaczepów. Bazuje ona na sieci odbiorników GNSS rozmieszczonych na dźwigu oraz modelu 3D otoczenia.

Nie od razu Kraków zbudowano

Na naszych oczach powstaje ogólnoświatowy GNSS. Ale jak zwykle diabeł tkwi w szczegółach. Czy właściciele poszczególnych systemów będą limitować dostęp w formie płatnych subskrypcji czy też uwolnią całkowicie sygnały?

Na pierwszy model jest zdecydowana Europa. Część usług Galileo będzie darmowa (w cenie odbiornika), ale za dostęp do jeszcze bardziej precyzyjnych pomiarów trzeba będzie zapłacić.

Do bezpłatnych usług należy wspieranie akcji poszukiwawczo-ratowniczych. Osoba, która uruchomi nadajnik ratunkowy systemu Galileo, zostanie zlokalizowana w ciągu zaledwie 10 minut. Następnie geolokalizacja zagości we wszystkich nowych autach sprzedawanych w Europie. To umożliwi działanie paneuropejskiego pokładowego systemu powiadamiania o wypadkach „eCall”. Przy okazji Galileo zwiększy odporność na zakłócenia i zapewni pełne szyfrowanie, by działać w przypadku sytuacji nadzwyczajnych bądź kryzysowych, takich jak ataki terrorystyczne.

Być może rozwój europejskiej geolokalizacji spowoduje ruch ze strony jej konkurentów, którzy pozwolą na bezpłatny odbiór sygnałów. W każdym przypadku stajemy się coraz bardziej zależni od kosmicznych wynalazków. Ale na wszelki wypadek sprawdzajmy co jakiś czas, ile mierzą nasze palce.

*** 

Galileo – większa dokładność

Galileo to unijny globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS) będący cywilną alternatywą dla amerykańskiego Global Positioning System (GPS) czy rosyjskiego GLONASS. Dzięki Galileo dokładność geolokalizacji zwiększy się 10-krotnie, co umożliwi rozwój m.in. pojazdów autonomicznych. W wersji powszechnie dostępnej dokładność lokalizacji ma sięgać 1 m, w komercyjnej – 1 cm. Zegary systemu mierzą czas z opóźnieniem jednej sekundy na kilka milionów lat. Obecnie system Galileo liczy 18 satelitów krążących już na orbicie. Planowany czas eksploatacji pojedynczego satelity to 12 lat. Zbudowanie pełnej, tworzonej już od 17 lat, konstelacji złożonej z 30 satelitów ma potrwać do 2020 r., początkowo system miał być oddany w 2008 r. Jego koszty szacowane są na 10 mld euro.

Na rynku jest już obecny pierwszy smartfon hiszpańskiej firmy BQ dostosowany do współpracy z systemem Galileo. Wkrótce dołączą inni. Chodzi o to, by mikroprocesory miały wbudowane algorytmy, które wybiorą ze wszystkich dostępnych satelitów kombinację dającą najbardziej precyzyjną pozycję. Z dotychczasowych testów wynika, że korzystanie z satelitów Galileo daje pozycję dokładniejszą.

Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Nauka

Ożywianie mózgu po śmierci i transplantacja głowy. Czy istnieją granice neuronauki?

Badaczom udało się wznowić niektóre funkcje mózgów pobranych od świń, a inny naukowiec chciałby przeprowadzić transplantację ludzkiej głowy.

Piotr Rzymski
22.04.2019
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną